Высокий темп освоения новых знаний, создание наукоемкой продукции и передовых технологий, а также масштабные исследования обеспечивают эффективное решение комплекса задач. Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Университета гражданской защиты МЧС в рубрике #инновации_в_мире_науки каждую неделю рассказывает о мировых технологических лидерах и инновациях научно-технического развития в области обеспечения безопасности.
Многомодальные датчики привлекли значительное внимание благодаря своему большому потенциалу в сложных сценариях. Однако достижение синергетической интеграции многомодальных датчиков в гибкие интеллектуальные текстильные материалы, сохраняющих функциональный отклик в жестких условиях, остается сложной задачей. В данной работе предлагается стратегия интеграции на уровне волокна, основанная на коаксиальном мокром прядении, для изготовления бимодального волокна с сердцевиной и оболочкой (обозначаемого как PLMOB), обладающего интегрированной огнестойкой теплоизоляцией, длительным послесвечением и автономным питанием. Благодаря созданию синергетического теплоизоляционного барьера из гексагонального нитрида бора (h-BN) и диоксида кремния (SiO₂ ) в оболочке, теплопроводность снижается до 61,28 мВт·м⁻¹ · К⁻¹ . Благодаря эффекту теплоизоляции и характеристикам отклика функциональных компонентов, волокно сохраняет стабильную проводимость и устойчивое синее послесвечение (>1200 с). Благодаря процессу вышивания волокна PLMOB интегрируются в пожарную одежду, обеспечивая визуальное наведение. Кроме того, мы разработали систему на основе машинного обучения, способную точно распознавать движения конечностей (точность 97%) и свечение. Эта работа предлагает перспективную стратегию для создания интеллектуального текстиля следующего поколения в условиях пожара.
В экстремальных сценариях, таких как спасение при пожаре, спасатели и заблокированные люди сталкиваются не только с ограниченной видимостью из-за густого дыма, но и с перебоями в электропитании. Поэтому необходимо, чтобы материалы и устройства реагировали на сложные условия окружающей среды многомерным образом, обеспечивая функциональную синергию и интеллектуальное управление. С расширением применения технологий Интернета вещей (IoT) в аварийно-спасательных работах и растущей потребностью в автономной носимой электронике разработка интеллектуальных сенсорных систем, интегрирующих личную защиту, восприятие окружающей среды и визуальное наведение, стала передовой темой, стимулирующей интеграцию различных технологий. Однако достижение интеграции многомерного точного зондирования в гибкие устройства остается серьезной проблемой, заслуживающей изучения.
Технология мультимодального зондирования демонстрирует большой потенциал применения благодаря своим преимуществам в многомерной информационной взаимодополняемости и функциональной. Сообщается о широком спектре многофункциональных композитных материалов и носимых электронных устройств, способных обеспечивать двойной или многосигнальный отклик, охватывающий огнестойкость, механическую защиту, автономное зондирование, визуальное отображение и взаимодействие человека с машиной. Например, Ли и др. изготовили арамидные композиты, вдохновленные перламутром, используя биомиметический подход к самосборке для достижения одновременной огнестойкости и ударопрочности. Дуань и др. использовали эффекты упрочнения при сдвиге для разработки механолюминесцентного устройства, которое объединяет защиту от ударов с визуализацией. Ли и др. разработали термогальваническую гидрогелевую электронную кожу с поддержкой глубокого обучения, способную к автономному распознаванию подписи и биометрической аутентификации [18]. Важно отметить, что интеграция трибоэлектрического наногенератора (TENG) и визуальной люминесценции постепенно стала ключевым направлением исследований. Например, Лу и др. создали самовосстанавливающуюся электрооптическую кожу посредством динамической ковалентной связи, что позволило обеспечить двухрежимное взаимодействие человека и машины. Чжоу и др. разработали термохромные гибридные пленки на основе MXene для устранения помех от сигналов окружающей среды в носимых устройствах мониторинга здоровья за счет фотоэлектрической синергии. Пак и др. внедрили нанорешетчатые структуры в органические фотоэлектрические элементы для создания сверхгибких автономных электронных систем. Таким образом, интеграция трибоэлектрического зондирования и визуальной люминесценции обеспечивает взаимодополняющий двухрежимный выходной сигнал, что значительно расширяет область применения носимых электронных устройств.
Интеграция множества функций в единую платформу стала одним из наиболее актуальных направлений исследований в области интеллектуальных носимых устройств. Например, Тан и др. создали биоразлагаемые многофункциональные 3D-пленки с использованием карбонизированной люфы для измерения деформации и сбора трибоэлектрической энергии. Вдохновленные структурами кожи хамелеона, Сунь и др. разработали гибридные устройства, которые интегрируют чувствительные к давлению слои со структурными цветными дисплеями. В частности, интеграция множества функций в ткань стала идеальным подходом для развития интеллектуальных носимых устройств. Например, Ян и др. разработали биомиметические волоконные актуаторы с использованием проводящих полимеров и иерархических текстильных структур, вдохновленных мышечными волокнами. Лю и др. создали интеллектуальный текстиль с иерархическими логическими структурами, обеспечив адаптивное регулирование температуры и влажности в любую погоду с помощью механизма двойного реагирования. Примечательно, что достижение многофункциональной интеграции на уровне одной нити может наделить интеллектуальный текстиль превосходной чувствительностью к датчикам, функциональной связью и комфортом при ношении. Например, Цзоу и др. разработали самозаряжающийся интеллектуальный текстиль с механотермическим бимодальным откликом, обеспечивающий одновременный мониторинг в экстремальных условиях. Ву и др. использовали методы межмасштабного регулирования для изготовления коаксиально скрученных композитных нитей с сердцевиной и оболочкой, создавая дышащие интеллектуальные ткани с множественными защитными и сенсорными возможностями. Следовательно, интеграция множества функций на уровне нити не только оптимизирует синергетическую производительность, но и обеспечивает эффективную стратегию для создания интеллектуального текстиля следующего поколения. Несмотря на прогресс, достигнутый в области многофункционального текстиля, создание единой платформы, интегрирующей многомодальное зондирование и защиту от экстремальных условий, остается перспективным направлением исследований и заслуживает изучения.
В данном исследовании мы представляем коаксиальное структурированное волокно (обозначаемое как PLMOB) с огнестойкой теплоизоляцией и возможностями бимодального считывания. Благодаря регулированию структуры волокна и интеграции с ионной жидкостью (для проводимости), люминофором с длительным послесвечением (для люминесценции) и компонентами h-BN/SiO ( для огнестойкости и теплоизоляции), волокно обладает многофункциональной системой защиты, демонстрирующей многофункциональность трибоэлектрического генерирования, термостойкости и длительного послесвечения. Благодаря синергетической интеграции, теплоизоляционный барьер на основе h-BN и SiO₂ не только значительно повышает структурную целостность при высоких температурах, но и защищает функциональные компоненты, тем самым сохраняя послесвечение и электрические характеристики считывания. Разнообразные варианты рисунка могут быть реализованы путем вышивания на одежде пожарного. Кроме того, с помощью интеллектуальной системы на основе машинного обучения были реализованы распознавание движений и визуальное сопровождение в условиях пожара. Эта работа представляет собой высокоинтегрированную платформу для применения в экстремальных условиях, таких как пожаротушение.
Исследователи Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали математическую модель, которая автоматически подбирает минимально возможную по стоимости систему структурной огнезащиты стальных конструкций при соблюдении жестких требований по пожарной безопасности. Модель обеспечивает сохранение температуры на неогреваемой стороне стальной колонны ниже 500 °C в течение 180 минут стандартного пожара и протестирована на выборке из 39 распространенных материалов — минераловатных, цементных, базальтовых и керамических решений.
Ученые построили цифровую модель, которая сама подбирает вариант огнезащиты так, чтобы он и выдерживал пожар нужной продолжительности, и не допускал перегрева стали, и при этом обходился заказчику как можно дешевле. Компьютер просчитывает множество комбинаций характеристик материалов, отсекает неэффективные и в итоге выдает оптимальное решение, чья расчетная стоимость защиты составляет 6,83 условных единицы за квадратный метр и хорошо согласуется с реальными данными по материалам.
По оценке разработчиков, такой «цифровой архитектор огнестойкости» может стать частью цифрового контура проектирования и эксплуатации: достаточно обновить цены и набор материалов, чтобы быстро получить экономически обоснованный вариант огнезащиты для стальных каркасов высотных и общественных зданий, транспортных и промышленных объектов без выхода за рамки нормативов.
В дальнейших планах — расширение модели на углеводородные режимы пожара, учет материалов, меняющих геометрию при нагреве, а также интеграция с методами искусственного.
БТК представила боевую одежду пожарного нового поколения
Боевую одежду пожарного (БОП) нового поколения с защитой от продуктов горения — одного из главных долгосрочных факторов возникновения онкологических заболеваний — представили в Барнауле, пишет «Российская газета». Новинка разработана «БТК групп», модернизирующейкрупнейший текстильный кластер за Уралом на базе Барнаульского меланжевого комбината («Меланжист Алтая»).
По результатам испытаний комплект из арамидных и углеродных волокон защищает от открытого пламени (55 секунд) в 10 раз дольше минимальных требований, а его устойчивость к тепловому потоку в 1,6 раза превышает норматив (395 секунд вместо 240).
Разработчики уделили особое внимание уязвимым местам, через которые проникают продукты горения, — шее, запястьям и поясу. «Впитывающая способность кожи при повышении температуры на каждые 3 °C увеличивается на 400%. Дополнительные барьеры из термоогнестойкой дышащей мембраны позволяют снизить контакт кожи с продуктами горения и уменьшить долгосрочные риски для здоровья», — рассказала глава команды разработчиков боевой одежды пожарного «БТК групп» Марина Лобжанидзе. При этом, по ее словам, часть защитных слоев можно снимать — это упрощает чистку и сушку одежды и позволяет быстрее проверить, нет ли повреждений.
Помимо этого, в конструкцию интегрированы мембранные барьеры и элементы, повышающие видимость в дыму и темноте (светоотражающие и люминесцентные). Еще одна особенность БОП — встроенная страховочная система, благодаря которой время подготовки к выходу из окна сократилось с 60 до 5 секунд, а подготовка самого пожарного к спасению — с 24 до 3 секунд.
Комплект рассчитан на 50 циклов стирки без потери свойств.
Международное агентство по изучению рака в 2022 году отнесло профессию пожарного к высшей группе 1 — «канцерогенно для человека». При этом в России количество занятых в пожаротушении составляет от 1 до 1,2 млн человек. По данным Международной ассоциации пожарных и исследования NIOSH, около 72% случаев рака у пожарных связано с профессиональными факторами, а именно попаданием в организм бензапирена, формальдегида, диоксинов и т. д.: они оседают на коже под экипировкой.